【水泥人網(wǎng)】近年來，國內(nèi)水泥工業(yè)的建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平都有較大的進(jìn)步，現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)線的綜合能耗已有了較大幅度的降低，但由于生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，燒成系統(tǒng)仍有大量的低溫廢氣余熱被排放，得不到充分利用。 另一方面，水泥生產(chǎn)時(shí)又要消耗大量的電能，而當(dāng)前國內(nèi)電力供應(yīng)緊張，電價(jià)持續(xù)上漲，已嚴(yán)重制約了水泥工業(yè)的發(fā)展。同時(shí)結(jié)合國家實(shí)施的節(jié)能、環(huán)保等一系列的政策措施，就使得低溫廢氣余熱發(fā)電技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣應(yīng)用尤為必要。被排放的低溫廢氣余熱如果用于發(fā)電，余熱的有效利用率究竟有多少，以噸熟料發(fā)電能力來評價(jià)為何會出現(xiàn)差異？被排放的低溫廢氣余熱最大發(fā)電能力到底有多大？……這是每位業(yè)主都非常關(guān)心的問題。因此，本文將通過一些有針對性的定量計(jì)算，來分析余熱的有效利用率及余熱發(fā)電效率。
1有效發(fā)電功率的計(jì)算
鍋爐有效利用的熱量用于產(chǎn)生蒸汽并驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生電能。一定熱量下產(chǎn)生電能的多少，取決于熱力發(fā)電系統(tǒng)的效率。
蒸汽動力裝置的理想循環(huán)就是朗肯循環(huán)，其動力設(shè)備如圖1。根據(jù)焓熵圖以及水蒸氣性質(zhì)表計(jì)算得到朗肯循環(huán)的各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算方法如圖2。朗肯循環(huán)的T-s圖見圖3。
點(diǎn)1：P1=1.7MPa、T1=330℃
h1=3 100.70kJ/kg、s1=6.970 1kJ/(kg·K)。
點(diǎn)2：P2=0.008MPa、T2=41.53℃
h2=2 180.78kJ/kg、s2=6.970 1kJ/(kg·K)。
點(diǎn)3：P3=0.008MPa、T3=41.53℃
h3=173.87kJ/kg、s3=0.592 5kJ/(kg·K)。
點(diǎn)4：P4=1.7MPa、T4=41.59℃
h4=175.57kJ/kg、s4=0.592 5kJ/(kg·K)。
點(diǎn)2act：P2act=0.008MPa、h2act=2 373.7kJ/kg
s2act=7.55kJ/(kg·K)。
忽略不計(jì)水泵功，循環(huán)熱效率η的近似計(jì)算公式為：
η===31.43%
1.1鍋爐效率ηgi
余熱鍋爐吸收的熱量，考慮2%的鍋爐排污率等熱損失，其余全變成蒸汽去發(fā)電，則此處可認(rèn)為鍋爐效率ηgi=98%。
1.2管道效率ηgd
一般情況下若不計(jì)工質(zhì)損失為99%，考慮到水泥廠純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)，主蒸氣有壓降、溫降，此處取ηgd=98%
1.3循環(huán)熱效率ηt
因朗肯循環(huán)的1點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)，溫度影響較大，廢氣溫度在350℃左右，決定了朗肯循環(huán)的1點(diǎn)蒸汽溫度＜330℃，而蒸汽壓力（無論是1.3MPa或2.0MPa）h1變化不大。取ηt=31.43%
1.4汽輪機(jī)的絕對內(nèi)效率ηoi
一般情況下為75%～85%，水泥廠用低溫汽輪機(jī)取ηoi=80%
1.5汽輪機(jī)的機(jī)械效率ηj
一般情況下為96%～99%，此處取ηj=98%
1.6發(fā)電機(jī)效率ηd
與冷卻方式有關(guān)，對于中小容量的空氣冷卻機(jī)組其效率在97%～98%，一般取ηd=98%
1.7總效率η將以上各項(xiàng)效率考慮以后，則大型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：
η=ηgi×ηgd×ηt×ηoi×ηj×ηd
=
0.98×0.98×0.314 3×0.8×0.98×0.98=23.19%
若汽輪機(jī)的絕對內(nèi)效率取ηoi=75%，則系統(tǒng)的總效率為21.74%。
綜合分析大型干法水泥生產(chǎn)線純低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的總效率為：21%~23%。
2廢氣余熱利用分析
由于各個水泥生產(chǎn)線的規(guī)模、工藝流程、原燃料特性、氣象條件等原始資料不盡相同，廢氣排放量、廢氣成分和溫度也有所差異。為了方便分析計(jì)算，使余熱利用情況以數(shù)量化的形式展現(xiàn)，下面以5 000t/d熟料生產(chǎn)線為例，對水泥窯廢氣熱量進(jìn)行定量分析計(jì)算。其它規(guī)模生產(chǎn)線的分析可大致依此類推比較。
2.1窯尾預(yù)熱器和窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣排放的熱量
2.1.1窯尾預(yù)熱器廢氣排放的熱量
目前國內(nèi)水泥生產(chǎn)線的燃料有采用煙煤的，也有采用無煙煤的，煤質(zhì)不同，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量也有所差異，高揮發(fā)分的煤和質(zhì)量較次的煤其煙氣產(chǎn)生量較多。另外受預(yù)熱器系統(tǒng)換熱效率和分離效率的影響，不同的工藝配置將使出預(yù)熱器系統(tǒng)的廢氣溫度有所不同。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和查閱資料，我們了解到目前國內(nèi)新型干法水泥生產(chǎn)線單位熟料窯尾預(yù)熱器排出廢氣量約為1.34~1.63Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產(chǎn)線，其出窯尾預(yù)熱器的廢氣量約為28~34萬Nm3/h，溫度約320~350℃。熱量計(jì)算時(shí)所采用的比熱值取決于廢氣各成分的含量，經(jīng)過對一些生產(chǎn)線的取值計(jì)算比較，比熱值差異不太多。具體熱量計(jì)算
取值如下：
窯尾預(yù)熱器排出的廢氣：32萬Nm3/h，溫度330℃，比熱1.51kJ/Nm3·℃。
窯尾預(yù)熱器排出的廢氣熱量：159.5×106kJ/h。
其中，用于烘干原料水分(5%水分)的熱量：45.5×106kJ/h。
扣除烘干原料熱量后，窯尾排放的廢氣熱量：114×106kJ/h。
2.1.2窯頭熟料冷卻機(jī)廢氣排放的熱量
目前多數(shù)生產(chǎn)線配置的第三代充氣梁篦冷機(jī)熱回收效率可達(dá)72%~75%，單位熟料冷卻風(fēng)量降至1.9~2.2Nm3/kg熟料，余風(fēng)排放量也相應(yīng)降低。由于不同生產(chǎn)線的工藝配置和原燃料特性的不同，窯用二次風(fēng)和分解爐用三次風(fēng)也有所不同，加之煤磨在窯頭或窯尾的配置不同，均對余風(fēng)排放量有所影響，但其大致范圍在1.34~1.48Nm3/kg熟料，那么對于5 000t/d熟料生產(chǎn)線，其余風(fēng)排放量約為28~31萬Nm3/h，溫度約200~250℃。冷卻機(jī)排出氣體主要是空氣，所以比熱可按自由空氣的比熱取值。熱量計(jì)算時(shí)取值如下：
窯頭熟料冷卻機(jī)排出的廢氣：30萬Nm3/h，溫度250℃，比熱1.3kJ/Nm3·℃
窯頭熟料冷卻機(jī)排出的廢氣熱量：97.5×106kJ/h
2.1.3窯頭窯尾總排放的廢氣熱量
經(jīng)過上述計(jì)算可知，窯頭窯尾實(shí)際排放的廢氣總熱量為211.5×106kJ/h，折合單位熟料總排放的廢氣熱量為1 015.2kJ/kg熟料。
現(xiàn)代新型干法水泥熟料生產(chǎn)線燒成熱耗~3 010kJ/kg熟料，那么窯頭窯尾總排放的廢氣熱量占水泥熟料燒成熱耗的百分比為33.7%。
2.2余熱鍋爐有效利用熱量
2.2.1窯尾SP爐有效利用熱量
由于窯尾出SP爐的廢氣要用于烘干原料，因此，要根據(jù)原料水分含量，通過原料磨系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，確定出SP爐的廢氣溫度。根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)多數(shù)5 000t/d生產(chǎn)線的工藝配置情況，當(dāng)煤磨在窯頭、原料磨采用立磨時(shí)，確定出SP爐的廢氣溫度按230℃計(jì)。如果煤磨在窯尾，或原料磨采用管磨時(shí)，還須結(jié)合原料磨和煤磨系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算，另行確定出SP爐的廢氣溫度，此處為簡化計(jì)算，不再一一列出。確定了進(jìn)出SP爐的廢氣量、廢氣溫度、漏風(fēng)量、廢氣含塵濃度等參數(shù)后，即可根據(jù)鍋爐熱平衡計(jì)算，求得SP爐有效利用的廢氣熱量。
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【作者:彭巖等 】
